大脑是人体最重要且最软的组织，由神经元、神经胶质细胞、细胞外基质和间质液组成，约80%为液体，20%为固体基质，是一种典型的跨尺度含液多孔柔性材料，其力学特性直接影响脑积水、脑水肿、脑外伤及脑肿瘤等颅脑疾病。载荷作用下的脑组织在时间和空间尺度呈现复杂的力学特性：一方面由于固体基质（多孔骨架）的重排表现出粘弹性，另一方面由于液体在孔隙内的迁移表现出与尺度相关的多孔弹性（图1a）。基于脑组织的粘弹性，可捕获其时间依赖效应、高滞后行为和率相关性，主要用于模拟外伤性脑损伤；基于脑组织的多孔弹性，可描述其跨尺度流固耦合行为，主要用于探索并分析脑肿胀(脑水肿)的物理机制。粘弹性和多孔弹性对理解大脑功能及准确选择适用于不同情况的本构模型至关重要，但由于二者在加载时均表现为松弛行为，如何区分脑组织的多孔弹性和粘弹性是挑战性国际难题。
课题组研究人员提出了一种基于时间尺度区分脑组织多孔弹性和粘弹性的力学方法。首先，通过快速压缩-等距保持实验，得到不同尺度脑组织样本的力与时间松弛曲线：样本被快速压缩至规定位移后，保持该位移恒定（等距保持）；此过程中，由于粘弹性和多孔弹性的双重松弛作用，作用于脑组织样本的压力在达到最大值后逐渐减小并趋近于恒定值（图1b）。然后，由于粘弹性松弛时间与样本尺度无关而多孔弹性松弛时间依赖于样本尺度，采用与尺度相关的物理量对不同尺度样本的松弛力和时间进行缩放，成功区分了脑组织的多孔弹性和粘弹性（图2）。研究发现，脑组织的粘弹性在时间尺度较小时主导其力学行为，多孔弹性则在时间尺度较大时起主导作用。在粘弹性主导松弛阶段或多孔弹性初期，液体流动可忽略不计，脑组织处于不可压缩的非排水态；相反，在多孔弹性松弛后期，孔隙内液体有充裕的时间流动，脑组织转为可压缩的排水态，其多孔弹性杨氏模量低于粘弹性杨氏模量，泊松比也相应降低。基于上述发现，进一步评估了猪和人脑组织多孔弹性和粘弹性行为之间的差异。
图1.脑组织快速压缩-松弛实验。(a)以刚性不透水平板压缩圆柱形脑组织样本：由于固体基质的重排和孔隙内液体的迁移，脑组织呈现粘弹性和多孔弹性双重松弛。(b) 载荷条件：快速施加给定位移后保持恒定（等距保持），记录作用于脑组织样本的力随时间变化曲线；Fm为对应于粘弹性和多孔弹性分离时间点的力。
图2.不同半径猪脑组织样本的力与时间松弛曲线（实线和阴影分别表示平均值和标准差）。（a）样本半径a对力与时间松弛曲线的影响。（b）将图（a）横坐标取对数后的曲线。（c）用επa2对图（b ）纵向坐标力F缩放；ε为对圆柱形样本施加的轴向应变（恒定不变）。松弛曲线在短时间内（~245 s）趋于重合，F ≥Fm，表明与样本长度无关；但松弛曲线在长时间（1000–2500 s）内分离，F < Fm，表明与样本长度相关。（d）用a2对图（c）横坐标时间t缩放。F ≥Fm时，曲线分离；F < Fm时，曲线趋于重合。粘弹性松弛时间：~245 s。多孔弹性松弛时间：1000–2500 s。
本研究以“Distinguishing poroelasticity and viscoelasticity of brain tissue with time scale”为题发表在Acta Biomaterialia上。文章第一作者为南京航空航天大学博士生苏丽君，通讯作者为卢天健教授，共同通讯作者为南京航空航天大学刘少宝副教授；东部战区总医院神经外科主任马驰原、杨进博士等也参与了本项工作。本研究得到了国家自然科学基金（12032010和11902155）、高等学校学科创新引智计划、江苏省自然科学基金（BK20190382）、江苏省科技计划项目（BE2022821）、江苏省仿生功能材料重点实验室基金、江苏省高等学校学术发展重点项目基金、航空航天结构力学与控制全国重点实验室研究基金(MCMS-I-0222K01)和南京航空航天大学科研前瞻性布局基金的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.11.009
